万博1manbetx用MATLAB和数据采集工具箱支持本科生研究

我们如何让本科工程专业的学生在短时间内解决有意义的现实问题?本科研究项目是一个潜在的答案，但这样的项目实施起来具有挑战性。大多数本科工程师直到大三第一学期才准备好进行有用的研究。此外，为了解决现实世界的问题，学生需要访问现实世界的数据，如果不花宝贵的时间学习如何使用专门的数据获取系统语言，通常很难获得这些数据。

在弗吉尼亚军事学院(VMI)的电气和计算机工程系，我们相信我们已经找到了一种克服这些困难的有效方法。因此，我们的学生开发了许多创新的解决方案，包括将拥挤的车库中的汽车引导到最近的停车位的系统，帮助外科医生安全地植入血管内支万博 尤文图斯架的医疗设备，以及在塌方后定位被困矿工的系统。

要想取得成功，关键是尽早教授学生基本的编程技术和结构。所有电气工程(EE)新生在VMIEE 104:电气工程中的计算机工具，他们学习C、c++和MATLAB^®。他们在整个大学生涯中继续建立他们对MATLAB的熟练程度，以便在大三和大四的时候，学生可以看到课堂上展示的方程，并立即将其可视化为MATLAB构造。有了MATLAB的熟练程度，他们可以承担课程所需的严格的实验室工作，如EE 431:数字信号处理。

用MATLAB完成数字信号处理实验室

EE 431:数字信号处理是一个16周的高级课程，介绍离散时间信号和系统。涵盖的主题包括离散时间和数字信号的表示，线性离散时间信号和系统的分析，频率响应，离散傅里叶变换，Z变换和采样数据系统。

学生在14节实验课中完成6项作业。在前两项作业中，他们回顾MATLAB概念，并使用干图生成和显示离散信号。他们还学习在MATLAB中构造脉冲、阶跃和复指数信号。

在第三个实验室中，他们应用卷积和滤波来减少语音记录中的回声污染。接下来，学生学习通过检查心脏信号的频率分布来计算和解释信号的离散时间傅里叶变换(DFT)。第五个实验室的重点是录音中的频率分布，学生们通过计算和解释离散时间信号的DFT来检查。

在第6个实验中，学生团队将他们对DSP概念的理解应用到他们自己选择的现实问题中。其中许多努力已经发展成为成熟的研究项目。例如，一个团队开发了一种新颖的方法来编码MP3文件中的隐藏数据。

在课程结束时，每个小组向全班展示他们的项目。学生们通常会开发一个基于MATLAB的GUI，并在演示中进行演示。MATLAB是一个很好的演示工具，因为它使学生能够在开发过程中展示结果，并说明因果关系。

一些团队向风险投资家和其他团体进行演示，以筹集资金申请专利。其他人则与VMI的商科学生合作，授权他们开发的技术。

从课堂到独立研究

而最后的实验项目EE 431:数字信号处理激发学生的研究兴趣，EE 491:独立研究I而且EE 492:独立研究II给他们一个更进一步的机会。本科生研究项目不同于典型的教师研究项目。大多数教师的研究需要重要的背景知识，并在很长一段时间内进行。因此，学生们通常会被安排一些小的、打包的项目，使他们无法理解正在解决的大问题的背景。在VMI的自主学习课程中，学生主导的项目真正给了学生自主权，这激励了他们的工作。

我们可以为他们提供这些机会，部分原因是数据采集工具箱™允许他们使用他们已经熟悉的MATLAB设计环境读取和控制从万用表到地震检波器的传感器。

一个特别成功的独立研究项目涉及放置血管内支架，即插入人体动脉以保持血管畅通的空心管。学生们使用MATLAB和数据采集工具箱构建了一个系统，该系统使用电容式压力传感器在手术过程中为心脏病专家提供实时反馈。该系统采用Measurement Computing公司的低成本数据采集设备，通过USB连接监控三个通道上的压力传感器。MATLAB图形用户界面显示动态柱状图，显示施加在气球上的压力，因为它压迫动脉壁(图1)。

该项目被评为美国IEEE六个地区之一的最佳学生论文，并为参与该项目的一名学生撰写了荣誉论文。

在塌方后找到被困矿工是我们的本科生工程师最近解决的另一个紧迫问题。矿工们用来与地面团队沟通的固定线路在灾难期间经常被切断。因此，救援队无法知道在哪里钻空气供应隧道。VMI的学生工程师开发了一种通信系统，使用一个改装过的汽车音响扬声器和一个12伏的扬声器来传输地震波。扬声器的隔膜被移除，它的磁铁被用来将地震能量以预先确定的频率直接传导到矿井壁上(图2)。

在地面上，地震检波器接收隐藏在10万倍以上噪声中的微弱正弦波。检波器产生高阻抗电压，通过MATLAB设计的硬件对其进行滤波放大。学生们使用数据采集工具箱对电压信号每秒采样5000次。使用MATLAB，学生们开发了一个GUI和算法，执行实时傅里叶分析，从噪声中分离出所需的信号。

对于一个典型的大学生来说，用c++或类似的语言编写这些算法太复杂了。MATLAB消除了这种复杂性，让他们可以使用他们在大学一年级时学习的语言。

当信噪比在整个带宽上保持不变时，每个可解析频率库的信噪比随时间而提高。在几秒钟内，系统就能识别出矿工使用的频率，从而通知救援队矿工的位置和状况，以便他们知道在哪里钻孔(图3)。

学生们在2008年获得了该系统的专利，并希望能在2010年投入生产。

把成功发扬光大

虽然本科生研究计划的成功不仅仅取决于学生的准备，但早期向学生介绍MATLAB并鼓励MATLAB技能的持续发展一直是本科生研究项目的关键推动因素。由于学生在开始研究时已经熟练掌握MATLAB，他们可以充分利用MATLAB环境进行数据采集、后处理、实时分析和GUI开发。因此，他们可以将课堂和研究时间集中在生产性工作上，而不是在多种工具和数据格式之间切换的机制上。结果是有意义的研究和一些可能拯救生命的发明。事实上，在过去的五年里，我们系大约四分之一的毕业生被命名为专利发明人。